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科學封面(第29期)丨嘿,你該發芽了!種子有感而“發”的秘密

編輯:葉鑫 來源:學術委員會 時間:2019年03月20日 訪問次數:2350  源地址

美國作家梭羅說過:只要你有一粒種子,我就準備看到奇跡2019年1月初,一粒棉花的種子創造了奇跡,登錄月球背面的月球車上,它倔強地萌發了,成為第一種在外星球成功萌發的植物。


種子是如何感知環境然后發芽的?最近,浙江大學農學院張天真教授課題組在棉花中找到一個小分子“開關”HSP24.7,它能直接感知環境溫度并調控種子的萌發。如果缺少這個蛋白,即使周圍溫暖和煦,棉花仍像置身于低溫,繼續“沉睡”。

相關論文今年2月在PNAS雜志發表,學界認為,這一發現為人類認識植物溫度響應的分子機制掀開了一角,在作物種子生產、保存和育種中都具有重要的應用意義。


“搶跑”的種子們


論文共同第一作者,馬衛博士是在一次偶然中發現研究線索的。那時,他正在做一組棉花種子的耐逆實驗。

棉花種子是世界上最有“耐力”的選手之一。作為起源于非洲和中美洲的熱帶植物,經過數千年的演化,棉花的足跡已經遍布亞洲、南美洲、北美洲等地。當年哥倫布在加勒比海地區遇到棉花的時候,他理所當然的認為這是到達亞洲海岸的另一證據;達爾文隨英國皇家海軍艦艇貝格爾號考察達加拉帕戈斯群島,也帶回了野生的棉花標本。科學家因此推測,棉花種子具有“隨風飄動,隨波逐流”的本領,讓棉花實現了跨越大洋的全球傳播。

“棉花耐寒、耐鹽、耐旱,才使長途水陸‘旅行’得以可能。”共同作者之一,浙大“百人計劃”學者關雪瑩說,實驗室試圖尋找與棉花耐力相關的基因,以用于作物精準育種。而在實驗中,馬衛博士驚奇地發現,一批棉花種子明顯“搶跑”了:正常情況下,棉花種子在吸足水分后24小時開始萌發,但是其中一組的時間量幾乎提前了一半,在12小時的時候就陸續萌發了。

“這現象漂亮得讓人不敢相信。”關雪瑩說,為了消除“習慣性懷疑”,科學家請另一位研究生重新做了一組實驗,結果顯示 “搶跑”現象依然顯著。是什么導致了種子“搶跑”?課題組決定重新設計實驗,去尋找控制種子萌發的“發令槍”。


“扳道工”HSP24.7


眾所周知,溫度、光照、水分是決定植物種子萌發的重要外因,但是,這些外因如何被植物感知,并啟動一系列體內反應,相關的分子機制依然模糊,激發著許多科學家的好奇心。

通過一系列實驗,課題組發現“搶跑”的種子們確實不一樣。它們體內一個小分子熱激蛋白(small heat shock protein)HSP24.7的含量特別高。實驗中,科學家調整HSP24.7的表達量,仿佛就能調控種子對環境溫度的感應。抑制棉花的HSP24.7表達,即使溫度適宜,種子也萌發緩慢,仿佛一直處于低溫環境。如果HSP24.7的活躍表達,棉花種子則迅速萌發,在低溫時也可以迅速完成。“它可能是植物的溫度感受器,”關雪瑩說。

“我們進一步發現,HSP24.7是通過調控線粒體的活性完成溫度響應的。”張天真說。HSP24.7含量升高,能讓線粒體產生更多活性氧,加速種子萌發。


GhHSP24.7 通過感知溫度調控種子萌發的分子機制模式圖


實驗室向雜志社遞交他們的實驗發現,一位審稿人提出了疑問:我們知道,活性氧過量可能會損害植物健康,“HSP24.7含量升高會導致活性氧過量嗎?”

課題組的另一組實驗解開了這一疑問,“HSP24.7是一個聰明的‘扳道工’。”關雪瑩說。實驗顯示,在種子萌發的三個小時之后,HSP24.7會誘導另外一條途徑讓活性氧迅速衰減,同時保證線粒體高效持續提供能源。“活性氧只在關鍵的時候大量出現,完成使命后,就迅速消失了。”


分鏡頭慢放:種子萌芽過幾道門?



種子萌發有一個“破殼而出”的過程,種皮破裂,胚芽萌出。馬衛解剖了出于不同萌發時期的棉花種子,試圖“分鏡頭”解析種子萌發的全過程。他發現了另一“暗門”——胚乳膜。


胚乳膜位于種皮的內層,包裹在胚芽之外,是胚乳的營養被吸收后留下的殘余。它很不起眼,最厚的地方有10層細胞,而最薄的地方只有2層細胞。但馬衛發現,胚乳膜其實是種子萌發的關鍵的機械束縛。“HSP24.7控制的種子萌發速度快慢,并不是胚的活力差異造成的,而是胚乳膜的強度。”

一組力學實驗幫助課題組更加清楚的了解其中的機制。課題組用一根針去探測不同萌發時期的胚乳膜的強度,數據顯示,萌發之后的胚乳膜強度明顯下降了。

至此,植物感受溫度并控制種子萌發速度的機制終于有了一個清晰的途徑:HSP24.7感受到適宜的溫度時大量表達,適度抑制線粒體活性,釋放活性氧,促成了胚乳膜內關鍵組分的降解,胚乳膜強度減小,種子順利萌發。“我們還在擬南芥和番茄種子中做了相關實驗,發現這一機制在雙子葉植物中是普遍適用的。”張天真說。

如何贏在“起跑線”


種子萌發是植物生命周期開始的第一步。作為人類最為重要的農作物之一,人們希望田里的棉花們能“統一步調”,而不是各有節奏,這樣才能高效地實現同步采收,這也是農作物精準育種的目標之一。“當我們知道植物感知溫度的分子機制,可以更好得用于棉花的育種。”張天真說。

我國是棉花種植大國,全國70%的棉花產量來自于新疆,對于種子溫度響應的機制的發現,將進一步指導人們怎樣在低溫、干旱、鹽堿地種出更好的棉花。



論文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2019/02/13/1815790116


(科學撰稿人 周煒)


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